Сеть напряжением 380/220 В обычно получает питание от трансформаторов с соединением обмоток
или
, нейтраль обмотки низшего напряжения которых заземлена на подстанции.
Нулевой провод соединяет нейтраль трансформатора с электроприемниками. Этот провод используют для получения фазного напряжения 220 В или соединения металлических корпусов некоторых приемников с землей. Для более надежного соединения с землей, а также для защиты от перенапряжений грозового характера нулевой провод повторно заземляют. Если сеть 380/220 В питается от генератора, то его нейтраль тоже заземляют, а нулевой провод также имеет повторные заземления.
Коротким замыканием называется аварийный режим, образующийся вследствие нарушения изоляции токоведущих частей. В месте перекрытия или разрушения изоляции происходит соединение фаз сети между собой, на пулевой провод или на землю.
Сеть, у которой нейтраль питающего источника соединяется с землей, называют сетью с глухим заземлением нейтрали. В ней возможны междуфазные и однофазные к. з. К междуфазным к. з. относятся замыкания между всеми тремя фазами (трехфазное к. з.) или между любыми двумя фазами (двухфазное к. з.).
Режим однофазного к. з. создается, если нарушается изоляция между какой-нибудь фазой и землей или нулевым проводом. В сети с глухим заземлением нейтрали возможен еще один вид к. з.— двухфазное к. з. на землю. Этот вид к. з. в настоящей книге не рассматривается, так как это не требуется для расчета и выбора защит от к. з.
Наиболее часто происходят однофазные к. з., они составляют примерно 65% общего числа замыканий. Для остальных видов к. з. этот показатель распределяется так: двухфазные на землю — 20%, двухфазные— 10%, трехфазные — 5%. Трехфазное к. з. является симметричным, а все остальные виды — несимметричными.
Короткое замыкание происходит из-за нарушения изоляции между фазами или между фазой и землей. К нарушениям изоляции приводит ряд причин. Прежде всего — это естественное старение изоляции, в процессе которого под воздействием многих факторов (температуры, агрессивной среды и т. д.) изоляция постепенно теряет свои свойства. Старение изоляции может происходить ускоренными темпами, если она находится под воздействием таких условий, на которые она не рассчитана. Например, если сечение изолированного проводника выбрано заниженным, то под воздействием повышенных для него токовых нагрузок проводник перегревается до сверхдопустимой для данной изоляции температуры, и в результате изоляция этого проводника быстро теряет свои первоначальные качества.
Внутренние электрические проводки напряжением 380/220 В многих сельскохозяйственных производственных помещений (фермы, кормоцехи) находятся в условиях агрессивной для изоляции проводников среды. Поэтому для таких помещений электропроводки следует выполнять проводами с изоляцией, рассчитанной на воздействие соответствующей агрессивной среды. Учет условий окружающей среды особенно важен при выборе электродвигателей. Наша электропромышленность изготавливает несколько разновидностей электродвигателей по климатическому исполнению и категориям размещения, в том числе и для условий сельскохозяйственного производства [2].
Неправильная эксплуатация, неправильный выбор электродвигателей, при котором не учитываются климатическое исполнение и категория их размещения, приводят к быстрому старению изоляции электродвигателя, ее порче и последующему к. з., то есть электродвигатель преждевременно выходит из строя, тогда как при нормальной эксплуатации средний срок его службы составляет примерно 15 лет.
Одной из основных причин возникновения к. з. в сети напряжением 380/220 В являются перенапряжения грозового характера. Эти перенапряжения наводятся на проводах ВЛ при грозе. Значение возникших перенапряжений может достигать десятков, а иногда и сотен киловольт. Если возникшая волна перенапряжения имеет очень высокий потенциал, достаточный для пробоя изоляции, то в месте ее возникновения происходит к. з. Точнее, волна перенапряжения через место пробоя уходит в землю, а вслед за ней под действием напряжения ВЛ возникает электрическая дуга тока промышленной частоты. Когда же потенциал волны меньше пробивного напряжения изоляции ВЛ, то она распространяется по проводам вдоль линии, претерпевая преломления и отражения на ответвлениях. Доходя до места, где изоляция ослаблена, волна пробивает ее, то есть опять-таки создает к. з.
Несмотря на ряд мероприятий, используемых для ограничения потенциала волны перенапряжения, которая может проникнуть с ВЛ 380 В во внутренние проводки, значение этого потенциала все же может достигать порядка 2...3 кВ. Это опасно для людей, животных, ряда электробытовых приборов и изоляции внутренних проводок. Очевидно, что под воздействием такого перенапряжения ослабленная, например, естественным старением изоляция внутренних проводок может пробиваться, что приводит к к. з.
В сельской местности часто ветви деревьев касаются проводов ВЛ 380 В или находятся от них в непосредственной близости. При сильном ветре от беспорядочных толчков этих веток провода могут схлестываться, что вызывает к. з. Возможны и другие причины, вызывающие появление к. з. в сети напряжением 380/220 В: обрывы провода с последующим касанием земли, ошибки персонала и т. д.
Многообразны последствия к. з. Резкое увеличение в короткозамкнутой цепи тока соответственно приводит к возрастанию в квадратичной зависимости термического и динамического действия его. Так, например, если ток к. з. по сравнению с нормальным режимом возрос в 10 раз, то электродинамические усилия между токоведущими частями и выделение теплоты в них увеличились в 100 раз. В связи с тем, что в сетях напряжением 380/220 В сельскохозяйственного назначения кратность токов к. з. сравнительно невелика, все электрические аппараты по условию динамической стойкости их к действию токов к. з. имеют достаточно большой запас. Иначе обстоит дело с термической стойкостью электрических аппаратов.
В сельских сетях напряжением 380/220 В используются чаще всего провода малых сечений, то есть с достаточно большим активным сопротивлением. Это, с одной стороны, снижает кратность токов к. з., а с другой — увеличивает время его отключения, так как защитные аппараты имеют обратнозависимую характеристику времени срабатывания от тока. В итоге, если учесть, что выделение теплоты в некотором проводнике пропорционально квадрату тока, активному сопротивлению проводника и времени отключения тока к. з., то окажется, что перегрев проводников может достигать опасных пределов, и это надо учитывать при выборе защит от к. з.
Кроме того, к. з. могут нарушать устойчивую работу электродвигателей. При к. з. резко снижается напряжение. Например, в месте возникновения трехфазного к. з. все фазные и линейные напряжения равны нулю. Снижается при этом напряжение и на шинах питающего источника, а значит, и на зажимах всех электродвигателей, питающихся от него. Поскольку снижения напряжения при к. з. происходят достаточно быстро, то их называют колебаниями напряжения*. Таким образом, к. з. приводят к колебаниям напряжения на зажимах всех электроприемников, в том числе и всех электродвигателей, питающихся от данного источника.
*В соответствии с ГОСТ 13109—67 изменения напряжения, происходящие со скоростью более одного процента в секунду, называются колебаниями напряжения. Колебания напряжения не следует смешивать с отклонениями напряжения, представляющими собой длительно существующую разность между действительным и номинальным напряжением.
Если снижение напряжения при к. з. оказалось глубоким, а время отключения к. з. достаточно большим, то те электродвигатели, которые присоединены не через магнитные пускатели, останутся подключенными к сети и часть из них к моменту отключения к. з. может успеть затормозиться до полной остановки. После отключения к. з. ближайшей защитой напряжение на шинах источника восстановится и начнется групповой запуск электродвигателей, во время которого все оставшиеся в подключенном состоянии электродвигатели будут потреблять от источника пусковые или близкие к пусковым токи.
Если сеть запроектирована неправильно, то при групповом запуске от протекания больших пусковых токов создаются большие потери напряжения. Вследствие этого все или некоторые электродвигатели не смогут развить необходимый пусковой момент и развернуться до номинальной частоты вращения, то есть они окажутся в аварийном состоянии. Правильно выполненная тепловая защита электродвигателя или защита от перегрузки должна в таком режиме сработать и отключить от сети незапустившиеся электродвигатели.
Колебания напряжения, обусловленные возникающими к. з., вызывают нежелательные последствия также для осветительных и коммунально-бытовых электроприемников. При правильной работе защиты от к. з. эти последствия неопасны и проявляются, например, в погасании на непродолжительное время осветительных ламп и экранов телевизоров. Гораздо серьезнее эти последствия, если защита отказывает в действии. В этом случае все потребители, присоединенные к короткозамкнутым фазам, оказываются длительно включенными на значительно сниженное напряжение или на напряжение, близкое по своему значению к нулю. Кроме того, что эти потребители в таком режиме будут испытывать перерыв в электроснабжении, возможен выход из строя электродвигателей холодильников.
В сети напряжением 380/220 В наиболее часто происходят однофазные к. з. При этом виде к. з. ток значительно меньше, чем при двухфазных или трехфазных, поэтому трудно выполнить достаточно чувствительную защиту, реагирующую на однофазное к. з. Особенно трудно осуществить чувствительную к однофазным к. з. защиту силового трансформатора. Недостаточная чувствительность к однофазным к. з. защит, используемых до недавнего времени в комплектных трансформаторных подстанциях, послужила одной из причин сравнительно высокой аварийности потребительских трансформаторов, питающих сети напряжением 380/220 В.
Однофазные к. з. могут создавать так называемые неполнофазные режимы, которые весьма опасны для электродвигателей. Неполнофазный режим образуется, например, при перегорании предохранителя в одной фазе, обрыве одного провода или нарушении контакта одного из полюсов магнитного пускателя или автомата. Чаще всего неполнофазный режим создается после перегорания в одной фазе предохранителя, отключившего однофазное к. з. Поэтому основным мероприятием, предотвращающим неполнофазные режимы работы электродвигателей, следует считать использование трехфазных защитных аппаратов (автоматов) в силовых цепях. Если между выводами источника питания (например, трансформатора) и зажимами электродвигателя используются только трехфазные защитные аппараты, то отключение возникшего однофазного к. з. на линии, связывающей источник с электродвигателем, происходит во всех трех фазах. Иначе говоря, при срабатывании трехфазных аппаратов защиты неполнофазный режим не образуется.
В последнее время, когда для электрификации сельского хозяйства начали широко использоваться трансформаторы мощностью 160.. .630 кВ - А, замечено еще одно нежелательное последствие от воздействия токов к. з. При неудаленных от трансформаторных подстанций
k. з. на воздушных линиях, выполненных проводом с небольшой площадью поперечного сечения (менее 70 мм2), возникают токи, вызывающие довольно большие динамические усилия — больше веса провода в пролете. При этом возможны схлестывания проводов в пролетах между подстанцией и местом к. з.
В местах непосредственного соприкосновения при таком схлестывании создается электрическая дуга, которая выплавляет некоторое углубление в теле провода. При повторении этих явлений или под воздействием больших механических нагрузок (например, при гололеде) такой провод с ослабленным сечением может оборваться.
С точки зрения электробезопасности особенно опасны обрывы нулевого провода, так как они могут привести к появлению опасного для людей и животных потенциала на заземленных элементах электрооборудования, то есть к электротравматизму. Если, наконец, учесть, что к. з. приводят к ряду нежелательных последствий, в том числе могут вызвать пожар или привести к массовому поражению электрическим током людей и животных, то станет очевидно, как важны профилактические мероприятия по предотвращению к. з., равно как и надежная правильная работа защитных устройств от к. з.